基于FPGA的空间矢量PWM运动控制综述

K.R.Rekha¹沙利尼·瓦什塔²

印度卡纳塔克邦班加罗尔SJBIT欧洲经委会系教授
印度卡纳塔克邦班加罗尔Atria IT学院欧洲经委会系助理教授

摘要

空间矢量脉宽调制(SVPWM)可能是所有用于变压变频驱动的PWM技术中最好的技术之一。这是一种直接的数字技术，利用空间矢量概念来计算逆变开关器件的占空比。超大规模集成电路技术和EDA技术的快速发展已经为工业控制系统的复杂和紧凑控制器的发展让路。特定的硬件技术，如基于fpga的架构平台，提供了快速原型设计、高性能信号处理和驱动器的运动和激活控制实现的灵活性。本文综述了现有文献中一雷竞技苹果下载些基于FPGA的SVPWM电机控制系统。

关键字

空间矢量脉宽调制，可变电压变频驱动器，旋转电压矢量，基矢量，扇区，数字实现，三相电压源逆变器，基于FPGA的控制器

介绍

空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)方法是一种先进的PWM方法，可能是所有用于变频、变电压驱动的PWM技术中最好的一种。近年来，该方法因其优越的性能特点，逐渐在电力电子和电气驱动领域得到广泛应用。与正弦脉宽调制(SPWM)相比，SVPWM更适合于数字实现。这是一种复杂的平均算法，可以提高可获得的直流电压利用率。在相同的直流侧电压下，交流侧电压的数量更高。在空间矢量理论中，三相正弦信号转换成具有恒定大小和恒定角频率的旋转矢量。在空间矢量PWM中，旋转电压矢量被用作电压基准，而不是调制信号，其目标是产生与给定参考负载电压平均相等的PWM负载线电压。

SVPWM技术通过以特殊顺序开关功率半导体器件来实现这一目标，例如，在具有六个功率半导体器件的三相电压源逆变器中，逆变器可以通过八个开关状态移动。开关状态由易于数字化实现的简单公式确定。当使用三相逆变器桥时，相位必须由八种可能状态的组合获得。为防止电源短路，任何逆变器腿上的高侧和低侧开关不能同时闭合。这允许8种可能的开关状态组合。组合由高侧开关状态完全描述，因为低侧对应的开关状态将是互补的。这八种可能的组合，当表示在α/β平面时，就变成了八个空间向量，其中两个是零向量，如图1所示。这些基向量定义了一个六边形，并将其分成6个扇区。SVPWM算法的主要程序有

1.确定参考相量。

2.确定基向量的占空比。

3.确定开关的开关顺序。

4.生成PWM载波并应用调制。

该图描述了排列在六边形中的八种开关状态

SVPWM技术的优点

该方法提高了总线利用率，最大输出电压是正弦三角PWM技术的1.155倍。不进入过度调制的交流输出电压可以增加。它还提供更少的换流或开关损失，因为它提供了更大的灵活性来优化开关波形。只需要一个参考空间矢量就可以产生三相正弦波形。SVPWM开关规则具有较小的总谐波失真和频谱偏移。该方法减小了电流畸变，具有较低的稳态转矩、磁通和电流纹波。更先进的矢量控制可以实现使用svpwma参考电压是一个二维量。

方法

在本文中，A节介绍了一种结合空间矢量和载波调制的方法，并给出了在FPGA平台上实现的七种调制策略。B节介绍了通过引入中间变量来减少SVPWM算法计算开销的技术。c节提出了在一个开关周期内的多采样空间向量，从而提高了用于驱动器的电压源逆变器的性能。第四部分采用SVPWM技术对伺服电机系统进行控制。E节介绍了基于FPGA的感应电机空间矢量调制直接转矩控制的实现。本文重点介绍了一种基于FPGA的低功耗高性能数字空间矢量脉宽调制(DSVPWM)三相电压源逆变器控制器的设计。提出了一种基于FPGA实现简单、准确、高性能DSVPWM技术的新方法，与传统方法相比，该方法资源消耗小，执行时间短。本文重点介绍了一种基于fpga的三相感应电机低功耗高性能VHDL svpwm控制器的设计。

a .基于fpga的341电压源逆变器SVPWM触发发生器

Cleumar S. Moreira'， Raimundo C. S. Freire'， Elmar U. K. Melcher'， Gurdip S. Deep'， Sebastian Y. C. catund2, Raimundo N. C. Alves3

本文介绍了一种用于三相电压源逆变器触发脉冲的可重构fpga脉宽调制器的结构，该电路基于空间矢量方法和基于载波的调制方法的混合。该电路有7种不同的预定义调制策略。该体系结构允许包含新的用户定义策略。将调制器结构分解为不同的功能模块，并在Verilog-HDL中进行描述。所产生的代码已编译和模拟2000门FPGA。PWM触发脉冲是通过直接比较参考信号来产生的。在基于载波的调制中，在三个正弦参考信号中加入一个零序列分量，从而使参考信号失真，从而消除逆变器输出电压中的某些谐波分量。将畸变的参考信号与三角载波进行比较，根据所选零序分量产生不同的开关模式。

调制器的结构

乘数模块用于将索引m与从正弦模块读取的数据相乘。在调制模块中，存储在正弦模块中的每个值在乘法器模块中乘以表示调制指数的10位数字，这就给出了调制信号，该信号与载波信号进行了即时比较。然后用有限状态机对这个调制信号求和一个零序列分量。延时模块以PWM脉冲作为输入，PWM脉冲是通过比较参考波形和载波波形产生的，并识别正和负跃迁。对于那些同时发生转换的输入信号，引入延迟(死时间)以避免在同一支腿中同时操作或导通开关。在SVM(空间矢量调制)模块中，调用调制、载波和延迟模块，监督通信和同步操作。然后生成最后的命令脉冲。该模块的输入信号对应于标志和命令脉冲，同样被设计用来监督内部变量的读/写操作，这是调制器配置所必需的。本文介绍了一种基于fpga的多功能空间矢量调制器的设计与实现。这个配置是用Verilog HDL编码的，描述了模块之间同步和通信的各个方面。

B.三相逆变器低计算开销的高效SVPWM算法舒泽良，IEEE学生会员，唐健，郭玉华，吉三莲

本文提出并发展了一种用于三相逆变器的空间矢量脉宽调制(SVPWM)的紧凑算法。该方法简化了传统的svpwm，通过使用中间向量将其完全分解为快速的整数运算，从而有效地抵消了剩余过程的冗余计算。这个概念不仅可以简化两级方案，而且也适用于多层实现。由于该算法不需要任何乘法器或除法器，特别适用于现场可编程门阵列的应用。然后，基于该算法构建了一个区域高效、速度快的ip核，并进行了测试。它确保了更低的硬件资源使用，同时，运行速度比一些报道的示例快几倍。最后给出了直流逆变器样机的实验结果，验证了该算法的可行性和有效性。基于FPGA的ip核设计，结构紧凑，占用资源少，运行频率快。该概念也可用于多级SVPWM方案的简化。所提出的算法也可用于软件应用，如DSPor微控制器技术，其中实时准确生成SVPWM模式的能力至关重要。

该图描述了所提出的调制器的各个模块

C.基于fpga多采样空间矢量调制的三相VSI

Giovanna Oriti, IEEE资深会员，Alexander L. Julian, IEEE会员

本文介绍了采用数字多采样空间矢量调制对三相电压源逆变器(VSI)性能的改善。调制器和逆变器控制器完全使用现场可编程门阵列平台实现，因此相对于典型的数字信号处理器或基于微处理器的控制器实现了更高的带宽。增加控制器带宽会导致在基频以上和开关频率以下的频率范围内输出电压谐波失真降低。本文给出了实验验证，并使用带有输出LC滤波器的VSI状态空间模型进行了分析。

在FPGA中嵌入空间矢量调制可以在一个切换周期内多次重新计算空间矢量计时器。这种技术通常被称为参考信号的多次采样，只有在并行计算是可能的情况下才能实现，就像基于fpga的控制器的情况一样。

本文表明，由于多次采样而增加的控制器带宽对输出电压质量非常有利。从仿真中创建的波德图用于了解系统增益和相位裕度，并调整PI控制器增益。实验时域和频域波形表明，与典型的双更新空间矢量调制相比，每周期使用20个采样时，VSI输出电压的电压质量得到了改善。

D.基于FPGA的svpwm伺服控制系统的设计与实现

庞海燕，谢云，肖珊珊，陈炳成

本文所描述的SVPWM伺服控制系统采用altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片，相应的FPGA开发软件平台为QuartusII7.2.QuartusII7.2开发平台包括HDL代码输入、元件符号输入和电路设计仿真及eda软件嵌入式等部分，其中功能仿真和时序仿真是整个系统设计阶段的关键阶段，它可以尽快识别系统设计中的问题。

给出了SVPWM的硬件实现方法，即先计算两轴定子电压分量，然后通过坐标变换将调制分量的两轴分量转换为三轴分量，通过调整后的SVPWM转换器将输出波形转换为最佳脉宽调制信号。进入锁存电路的调制信号可以被设置为增加死延迟时间的过程，然后使用最终的调制波形来控制三相逆变电路。

SVPWM伺服控制系统涉及到脉冲时间的计算和正弦信号的产生，因此必须考虑数值计算和计算中值。由于浮点运算复杂度较高，系统采用整数运算，改进后可以从8位增强到12位，16位甚至32位。本设计的伺服控制系统采用了8位整数算法，正弦参考表的值存储在FPGA内部的EPROM中。

该图描述了SVPWM控制模块，包括频率调节器，幅度调制器，死区时间调节器，Sin/Cos值生成，占空比计算器，2/3轴转换器

E.基于FPGA的感应电机空间矢量调制直接转矩控制实现

R.Rajendran, IACSIT高级成员和n . devarajan博士

本文提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的空间矢量调制(SVM)直接转矩控制方法。采用空间矢量调制的直接转矩控制具有空间矢量调制所特有的低稳态转矩脉动、磁链脉动和电流畸变，具有直接转矩控制所特有的快速瞬态性能。该系统在Xilinx Spartan 3E FPGA上实现。该方法的控制目标是选择精确的定子电压矢量，使定子磁链满足负载角参考，从而在保持磁链幅值不变的情况下获得所需的转矩。采用空间矢量调制算法施加所需的定子电压矢量。系统由下面的控制系统框图来说明。

一个低成本的Xilinx Spartan 3E FPGA，包含40万个逻辑门，工作在50 MHz(时钟周期等于20ns)，被用作实现该控制器的目标组件。通过在FPGA中实现该控制器，由于FPGA解决方案固有的并行性和实现不同控制功能的灵活性，可以达到非常好的性能。

F.基于FPGA的高性能数字空间矢量PWM三相电压源逆变器

BahramRashidi, MehranSabahi

本文针对三相电压源逆变器设计了一种基于FPGA的低功耗高性能数字空间矢量脉宽调制(DSVPWM)控制器。提出了一种基于FPGA实现简单、准确、高性能DSVPWM技术的新方法，与传统方法相比，该方法资源消耗小，执行时间短。SVPWM的方程相对复杂，在典型的微控制器上需要相当长的时间来执行，因此提出了一种简单的方法来最小化指令的运行时间。提出的扇区确定的数字设计实现了基于简单和低功耗逻辑电路的规则，提出的设计基于组合逻辑电路，从而提高了性能和降低了功耗。该数字电路实现了完整、准确的扇区确定。为了提高设计性能，可以采用子流水线技术。与其他文献相比，该方法具有灵活性强、精度高、面积减小等优点。因此，提出了一种简单的方法，将复杂的SVPWM方程转化为移位、添加等不复杂顺序的集合，从而使指令的运行时间最小化。该方法具有性能好、应力减小、功耗低、精度高等优点。为了验证所提出的设计，已经安排了一个实验室原型，使用cyclone II FPGA板，一个光接口作为电压源逆变器的IGBT驱动器，带有感应电机输出负载。实验室实验和Xpower分析仪结果表明，该方法硬件利用率低，指令简单快捷，性能好，功耗低。在100MHz时钟频率下，控制器总功耗降低到37mw。

G.三相感应电机SVPWM控制技术的FPGA定点实现

ChaurasiyaRohit B.， Mukesh D. Patil, Divya Shah1and Abhijit Kadam2电子工程RamraoAdik理工学院，新孟买

本文主要研究基于VHDL的三相感应电机fpga驱动svpwm控制器的设计。软件部分的整数实现导致了大量的子程序，从而占用了FPGA板上大量的硬件资源，导致了更大的功耗。此外，由于代码密度大，计算时间也比较长。软件部分采用所提出的定点实现方法，提高了精度，同时由于没有子程序，减小了FPGA板上的总面积。代码密度较小，从而减少了计算时间和功耗。文中还给出了SVPWM产生信号的仿真结果。为了证明所提方法的有效性，将所提方法的硬件利用率与整数实现进行了比较。

可以看出，与整数实现相比，定点实现需要的硬件更少，精度更高，实现更简单。

结论

随着超大规模集成电路技术的快速发展，高效电机控制系统的开发也取得了重大进展。目前使用的许多电机驱动器都采用基于DSP的数字控制策略，这具有软件控制简单、灵活等优点。然而，最近的设备，如fpga，由于其可重构的架构，提供了快速原型，高性能信号处理和灵活性。特别是基于fpga的SVPWM调制器可以对参考电压进行多个采样，并在一个开关周期内重新计算功率转换器的开关状态和定时器，这是基于DSP的控制器的优势。然而，在许多情况下，基于fpga的控制器架构的设计是相当直观的，要求设计者掌握不同的领域(微电子、控制和电机理论)。对于复杂的算法结构，例如在驱动器控制应用程序中发现的算法结构，尤其如此。本文对现有的基于FPGA的空间矢量调制电机控制系统技术进行了综述。

未来的范围

基于FPGA的SVPWM设计可以扩展到低功耗实现，也可以提高FPGA的功率速度产品。本文的讨论也为今后分析基于soc(系统芯片)专门化的电机控制系统奠定了基础。

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